供水管網 - 供水管網無線數據采集監測系統應用方案
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部分 概述
隨著我國經濟的發展、城市規模的擴大和現代化程度的不斷提，城市的供水管網系統也越來越龐大，管網監測難度越來越大.且許多供水管線的填埋情況復雜、資料不清，有些管線甚至僅憑當時施工工人的記憶去尋找，造成諸多設計上的失誤和施工中的事故。
采用人工方法，借助圖紙、各類卡片來管理城市供水管網系統，已越來越難以滿足實際需要。所以實現對供水管網管理系統的需求是相當迫切的。業內眾多有識之士已達成共識：使用計算機，借助無線網絡系統技術來進行供水管網的管理、管網設計及數據采集，已是勢在必行。
基于GPRS網絡平臺的無線數據技術自2002年在中國正式商用以來，以“實時在線、按流量計費、覆蓋率廣”等優勢在各行業取得廣泛應用，隨著信息化的發展，DTU已經完全取代了以往的各種有線接入。而以往的有線連接必須依賴于網絡布線、固定電話線路，對于發展移動性的服務、增設新的服務網點、增設臨時性的窗口常會受到有線連接的困擾。同時布線還需要昂貴的費用和鋪設時間，對已有的網絡也會有影響，所以有線連接已經嚴重限制了目前各種信息化應用的主要原因。
第二部分 GPRS網絡簡介
GPRS是目前解決移動通信信息服務的一種較的業務，它是以數據流量計費、或大數據的包月包年計費。覆蓋范圍廣泛、數據傳輸速度更快。GPRS的推出，為行業和企業用戶開展無線數據傳輸提供了基礎設施平臺，為推動移動辦公的應用和發展創造了有利條件。與有線網絡相比，GPRS網絡具有租用費用低、移動辦公，不受地域制約等優點。GPRS的出現為企業和行業用戶開展無線辦公提供了一種新的選擇。
GPRS通信方式更適合于各類數據采集業務，目前城市供水管網系統與各采用有線交互傳輸或電臺方式，甚至有些偏遠井道要有線網絡接入成了不可能。月租費太，用電話線傳送數據按時間計費，帶來諸多不便，費用也不便宜。
GPRS網絡優點
1、 覆蓋范圍。構建城市供水管網系統要求數據通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足城區、鄉鎮和跨地區的接入需求。由于管網檢測點數量眾多，分布在地區的各個角落，而且地理位置分散。另外，還必須考慮今后系統擴充的可能，必須具有良好的可擴展性。由于目前GPRS已覆蓋省內大部分地區，能夠滿足城市供水管網系統對覆蓋范圍的要求。
2、數據傳輸速率。目前GPRS實際數據傳輸速率在40Kbps左右，完全能滿足供水管網系統數據傳輸速率的需求。
3、系統的傳輸容量大。城市供水管網系統要和每一個監測點實現實時連接。由于監測點數量眾多，系統要求能滿足突發性數據傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要。
4、通信費用控制靈活。采用傳統的有線方式建立供水管網系統，必須租用專線或電話線進行連接。由于管網監測點必須與中心隨時保持連線狀態，而每次數據發送的數據量很小，線路資源利用率很低，平均每一個監測點每月的線路費用為800～1200元。而如果采用GPRS通信方式，由于GPRS采用按數據流量計費的方式，資源利用率，月通信費用將在200元之內，如果數據量很大的情況下也可按包月或包年計費。
5、良好的實時響應與處理能力。與短消息服務比較，由于GPRS具有實時在線特性，系統無時延，可很好的滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。
GPRS與其它通迅方式綜合比較表：
第三部分 產品介紹
F2103 GPRS DTU采用性能嵌入式處理器，以實時操作系統為軟件支撐平臺，內嵌自主知識產權的TCP/IP協議棧。為用戶提供速，穩定可靠，數據終端永遠在線，多種協議轉換的虛擬專用網絡。針對網絡流量控制的用戶，產品支持語音，短信，數據觸發上線以及時自動斷線的功能。同時也支持雙數據中心備份，以及多數據中心同步接收數據等功能。公司產品已廣泛應用于金融，水利，環保，電力，郵政，氣象等行業。
1、無線參數
1、支持EGSM900/GSM1800無線網絡
2、GPRS multi-slot class 10
3、編碼方案：CS1~CS4
4、符合SMG31bis技術規范
5、Compliant to GSM phase 2/2+
6、支持數據和短信功能
2、硬件系統
1、性能RISC 嵌入式處理器，主頻100M，512K FLASH。
2、接口：
同時支持RS232/RS485串口。串口速率110~230400bits/s。
指示燈：具有電源、通信及在線指示燈。
天線接口：標準SMA陰頭天線接口，特性阻抗50歐。
SIM卡接口：3V/1.8V標準的推桿式用戶卡接口。
電源接口：標準的3芯火車頭電源插座。
3、供電：
外接電源：DC 12V 500mA
寬電壓供電：DC 5-35V
通信電流：<250mA (12V)
4、無線模塊
采用性能工業級GPRS無線模塊
5、尺寸
外形尺寸：91x58.5x22 mm（不包括天線及固定件）
6、其他參數:
工作環境溫度-25~+65ºC
儲存溫度 -40~+85ºC
相對濕度 95%(無凝結)
3、軟件功能
1. 智能防掉線，支持在線檢測，在線維持，掉線自動重撥，確保設備永遠在線。
2. 支持RSA，RC4加密算法
3. 支持虛擬數據專用網（APN）
4. 透明數據傳輸與協議轉換，支持多種工作模式
5. 支持數據中心動態域名和IP地址訪問
6. 支持雙數據中心備份
7. 支持多數據中心
8. 支持短信、語音、數據等喚醒方式以及時斷開網絡連接。
9. 支持短消息備份及告警。
10. 多重軟硬件看門狗
11. 數據包傳輸狀態報告。
12. 標準的AT命令界面
13. 可以用做普通撥號MODEM
14. 支持telnet功能。
15. 支持遠程配置，遠程控制
16. 通過串口軟件升級
17. 同時支持LINUX和WINDOWS操作系統
18.
第三部分 供水管網系統組成
一、系統組成結構及功能要求
供水管網遠程測控調度系統結構圖
如上圖所示供水管網遠程測控調度系統由調度中心、無線GPRS 網絡、遠程終端單元（RTU）幾個部分組成：
- 遠程終端單元（RTU）
遠程終端單元RTU 分散的分布在供水管網的遙測點上，主要由F2103 GPRS模塊、電源、天線、PLC 的CPU 及各種I/O 模板及后備電池、機箱等幾部分組成。遠程終端單元RTU與現場設備的開關量、模擬量信號相連，進行數據采集、處理、存儲并通過GPRS 網絡與調度中心傳送數據，接收并執行上位機的命令。
具體功能如下：
RTU 機箱：安裝于遙測點現場，為壁掛式，具有防盜功能（包括GPRS 模塊天線），其固定螺絲置于箱體內，設置門鎖，箱體內具有220V 交流電（如井下無條件具備220V電壓，可考慮蓄電池、鋰電池等能滿足終端產品電壓需求的供電裝置），信號輸入輸出接線端子，設置交流進線空氣開關，如有條件可配備一220V 交流電插座（檢修時方便使用）
PLC：使用西門子、三菱、歐姆龍等知名品牌
提供4 路4-20mA 模擬輸入、6 路開關量輸入、4 路開關量輸出，無需監控中心控制，可自行進行測量，并保存累積數據系統；
具有實時時鐘功能（可通過監控中心設定校準），采集到的數據以時間為順序，以5分鐘/每次的密度，能在RTU 端存儲一天的歷史數據，程序、參數、歷史數據具有掉電保護功能；
定時上報：把從儀表采集到的數據，以定時（整5 分鐘報一次）方式上報；
實現數據點播：可以響應各監控中心發出的查詢請求，將實時時刻或歷史時刻的數據發給監控中心，數據可發給多個監控中心；
輸入信號損壞時發出報警信息；
當系統上電復位，或系統運行、通信發生異常死機復位（看門狗復位）時，系統根 據復位類型不同進行復位處理，保證系統正常工作。
可為一次儀表（兩線制，三線制）提供24V 電源，具有一次表供電功能。
F2103 GPRS模塊：其核心使用SIMEMS MC39I無線模塊，內嵌TCP/IP協議，支持900/1800 MHz系統，提供RS-232或RS-485自選接口，支持各種非TCP/IP終端設備數據的透明傳輸，可上電即自動撥號上網，一直在線，自檢測假撥號現象，掉線可自動重撥。帶自主開發的主控電路和硬件看門狗，保證電路的可靠工作，并可根據用戶需要進行遠程在線維護。
（可選的備用冗余功能）調度中心可以設一主一備兩個中心（即有一主一備兩個IP地址），平時RTU端的GPRS模塊只與調度中心主中心（主IP地址）聯系，當主IP地址聯系不上時，RTU端的GPRS模塊能自動與備用IP地址聯系，切換到備用系統進行工作，當主IP地址系統恢復正常，關閉備用IP地址系統時，能恢復到主IP地址系統進行工作（多可以和5個中心同時通信）。
通信工作原理：
- 首先對DTU進行設置，設置要連接的中心IP和端口及其它必要性的設置，設置好之后PLC通過RS232或RS485接口和DTU相連，DTU上電之后根據事先設置好的中心IP和端口進行連接，成功連接到中心軟件后即可雙向傳輸數據。
- 終端流量傳感器、水壓傳感器工作時所產生的數據通過串口往無線模塊串口送， 無線模塊檢測到串口的數據后終數據信息發送到中心去
- 調度中心
中心條件:首先用某臺能上網的PC機，條件必須能讓外網訪問的到，如運行中心軟件的PC機在局域網里面，那要在局域網路由器做端口映射到本機PC，等這些條件具備之后在本機運行一個中心DEMO，開放一個端口，運行軟件等待DTU的連接。
DTU連接中心后，就可按要求進行傳輸數據，中心收到數據后，通過系統進行解密、過濾、篩選，終獲得所需要的數據進行分析、統計等工作。
注：中心軟件可使用組態軟件、力控軟件或自行開發軟件（可提供源碼）
組網方案如下：
A、公網方案：
中心用一個服務器組作為中心接收，中心采用ADSL 等INTELNET 公網連接，采用公網固定IP 或者公網動態IP+DNS 解析服務。此種方案先向INTERNET 運營商申請ADSL等寬帶業務。
1) 中心公網固定IP：監控點直接向中心固定IP 發起連接。運行可靠穩定，推薦此種方案。（當然固定IP 費用比較貴，視客戶財力決定）
2) 中心公網動態IP+DNS 解析服務：大部分IP 都是動態的，而且費用相對便宜。
客戶先與DNS 服務商聯系開通動態域名，動態域名解析軟件網址如下：（可以先申請免費的二級域名） 88IP解析
監控點先采用域名尋址方式連接DNS 服務器，再由DNS 服務器找到中心公網動態IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網固定IP 的費用，但穩定性受制于DNS服務器的穩定，所以要尋找可靠的DNS 服務商。
B、專網方案：
根據客戶內部網對網絡安全的特殊要求，決定采用中國移動GPRS網絡的專用APN形式入網，每個SIM卡綁定固定內部IP，擁有獨立上網APN名，其特點如下：網內分配專用的APN名，普通用戶不得申請該APN 。用于GPRS 專網的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN，也限制網外SIM卡使用專網APN。專門由移動公司機房牽出專線聯接中心服務器組。這種方案安全性和穩定性大大提，但費用比較。
中心采用APN專線， 所有點都采用內網固定IP
- 客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。
- 為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡才能進入專網APN，防止其他非法用戶的進入。
- 用戶在內部建立RADIUS服務器，作為內部用戶接入的遠程認證服務器（或在APN路由器內，啟用路由器本地認證功能）。只有通過認證的用戶才允許接入，用以保證用戶內部安全。
- 用戶在內部建立DHCP服務器（或在APN路由器內，啟用DHCP功能），為通過認證的用戶分配用戶內部地址。
- 移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。
雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。
此種方案無論實時性，安全性和穩定性較前一種方案都有大大提，適合于安全性要求較、數據點比較多、實時性要求較的應用環境。在資金允許的情況下之佳組網方式。
業務流程
GPRS專網系統終端上網登錄服務器平臺的流程為：
1）用戶發出GPRS登錄請求，請求中包括由移動公司為GPRS專網系統專門分配的專網APN；
2）根據請求中的APN，SGSN向DNS服務器發出查詢請求，找到與企業服務器平臺連接的GGSN，并將用戶請求通過GTP隧道封裝送給GGSN；
3）GGSN將用戶認證信息（包括手機號碼、用戶賬號、密碼等）通過專線送至Radius進行認證；
4）Radius認證服務器看到手機號等認證信息，確認是合法用戶發來的請求，向DHCP服務器請求分配用戶地址；
5）Radius認證通過后，由Radius向GGSN發送攜帶用戶地址的確認信息；
6）用戶得到了IP地址，就可以攜帶數據包，對GPRS專網系統信息查詢和業務處理平臺進行訪問。
- 調度中心功能
公司調度中心通過網絡與公司內部網連接，調度中心PC 通過GPRS 網絡向RTU 下發配置信息、控制信息，及接收下位機上報的數據及告警信息，同時對采集的數據進行管理，提供查詢、統計、報表等功
能調度中心、監控分中心的具體功能如下：
能夠給RTU 下發組態信息、控制命令，能夠校準RTU 的時鐘
RTU 發送來的數據自動進入數據庫，數據庫具備一定的安全措施
處理RTU 的報警信息
數據遙測功能：定時巡測、手動巡測、隨機抽測、分組召測
遙控功能：控制RTU 開關量輸出點的開、關狀態、遙信開關狀態
參數狀態管理功能：設置修改各測量數據上、下限值，通訊參數
在線組態功能：新增RTU 數據采集點等參數通過組態定義即可完成。
數據庫管理功能：對測得的數據建庫，對數據進行處理，查詢歷史數據，報表打印
具有數據顯示功能： 能顯示測量的各種數據、遙信開關狀態、各種系統圖形等
具有圖形功能,模擬顯示管網圖、水廠工藝流程圖等
搶修修理、停水、管網沖洗等數據錄入及統計。
數據共享功能：提供一個WEB 站點，該WEB 站點使公司寬帶內部網的任意一臺工作站只通過WEB 瀏覽器就可以登陸查看所有監控點的實時數據和存儲的任何時間段的歷史數據。WEB 站點通過用戶身份認證授權方式控制該用戶可訪問那些監控點的實時監控數據和存儲的任何時間段的歷史數據。調度中心系統管理員能增加、刪除可訪問用戶，并對用戶進行不同權限的授權。該WEB 站點應能通過鏈接方式聯入公司統一平臺。
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